Faits:
A. Le Département des infrastructures du canton de Vaud a adopté le 14 février 2001 le plan d'affectation cantonal n° 309 "Vennes" (ci-après: PAC Vennes), dont le périmètre général est d'environ 25 ha, sur les territoires des communes de Lausanne et d'Epalinges. Au sud-ouest, ce périmètre est longé par l'autoroute A9 et par la voie de raccordement (bretelle) entre l'autoroute et la route cantonale 601b (route de Berne) à la jonction Lausanne-Vennes; au nord, la limite du périmètre suit la route de Berne. A la date de l'adoption du PAC Vennes, la plus grande partie des terrains de ce périmètre (97 %) appartenait à l'Etat de Vaud.
Selon l'art. 1 du règlement de ce plan d'affectation (RPAC), il s'agit, dans ce périmètre, de promouvoir l'aménagement d'un pôle de développement économique d'intérêt cantonal, désigné comme "biopôle" (pour le "développement des domaines liés aux biotechnologies dans le respect des prérogatives du développement durable"). Le périmètre général est divisé en plusieurs sous-périmètres, avec des "secteurs destinés à la construction d'activités" (art. 23 RPAC).
Le secteur G1 se situe à l'angle ouest du périmètre, sur la parcelle n° 7311 du registre foncier (commune de Lausanne) propriété de l'Etat de Vaud. Il s'y trouvait déjà, avant l'élaboration du PAC Vennes, un parking-relais de 400 places. L'art. 40 RPAC dispose que ce parking-relais peut être maintenu et que des constructions sont possibles en couverture afin d'augmenter la capacité de l'équipement, ou afin d'édifier des bâtiments d'activités liées au biopôle. L'art. 23 al. 1 RPAC permet également la réalisation de ce genre de constructions en couverture du parking. D'après le plan, le nombre de niveaux autorisés dans le secteur G1 est de "R+3". La surface de plancher brute admissible (SPB), dans ce secteur, est fixée à 5'000 m2 "sans métro" et à 17'000 m2 "avec métro" (cf. art. 33 RPAC). Les auteurs du PAC Vennes ont en effet tenu compte du projet de métro "m2", le long de la route de Berne, avec une station prévue dans ce secteur (cf. art. 44 ss RPAC), projet qui n'était pas encore définitivement adopté à cette époque.
L'art. 43 RPAC mentionne une extension prévue du parking relais, qui pourrait comporter 400 places supplémentaires (soit 800 places au total); en outre, dans les autres secteurs du PAC Vennes, 650 nouvelles places de stationnement pourraient être créées.
Le projet de plan d'affectation avait été mis à l'enquête publique du 21 novembre au 20 décembre 2000. Le dossier comportait un rapport d'impact sur l'environnement (RIE). Une fois approuvé par le département cantonal, le 14 février 2001, le PAC Vennes n'a pas fait l'objet d'un recours et il est entré en vigueur.
B. Après que le projet de métro "m2" a été adopté, la Ville de Lausanne a souhaité augmenter la capacité du parking-relais (P+R). Un projet de modification du plan d'affectation cantonal a été élaboré (addenda au PAC Vennes). Le nouvel art. 43 RPAC prévoit la création de 800 places supplémentaires, la capacité totale du parking devant être portée à 1'200 places. La surface du secteur d'activités G1 est étendue, sur une bande de terrain auparavant réservée à l'"emprise des installations du métro" (ces installations étant aménagées en souterrain). S'agissant des constructions en couverture du parking, l'art. 23 RPAC modifié prévoit que "les affectations autorisées dans le secteur G1 sont libres; elles doivent être en liaison physique et fonctionnelle avec le parking-relais; les grandes surfaces commerciales et les activités incompatibles avec l'image générale du biopôle sont exclues". Le nombre de niveaux (R+3) n'est pas modifié; en revanche, la surface de plancher brute admissible (SPB) est portée à 12'500 m2.
L'addenda au PAC Vennes a été mis à l'enquête publique du 17 juin au 18 juillet 2005, avec un rapport sur des questions d'aménagement du territoire ("rapport 47 OAT") et un complément au rapport d'impact (RIE). Il n'y a pas eu d'opposition. Le Département des infrastructures a approuvé ces modifications le 27 septembre 2006.
C. L'Etat de Vaud, en tant que propriétaire du terrain (représenté par le Service immeubles, patrimoine et logistique du Département des infrastructures), et la Ville de Lausanne, promettant-acquéreur, pour le "groupement P+R Vennes - AquaEcopôle" (qui comprend une société anonyme en formation désignée comme maître de l'ouvrage), ont déposé en novembre 2006 deux demandes d'autorisation, en vue de la réalisation de bâtiments dans le secteur G1 du PAC Vennes: premièrement une demande d'autorisation de construire pour un parking-relais de 1'190 places (P+R Vennes), sur trois niveaux; deuxièmement une demande d'autorisation préalable d'implantation pour deux bâtiments (A et B) sur la plate-forme du parking, le bâtiment A devant accueillir un musée scientifique (projet AquaEcopôle), et le bâtiment B devant regrouper un hôtel de 117 chambres, un centre médical, deux petits commerces (magasin de proximité et kiosque), ainsi qu'éventuellement une halte-garderie. Le dossier des deux demandes d'autorisation comportait un rapport d'impact établi le 14 novembre 2006, pour la deuxième étape de l'étude d'impact.
La demande d'autorisation de construire et la demande d'autorisation préalable d'implantation ont été mises à l'enquête publique du 8 décembre 2006 au 8 janvier 2007. A._, B._ et C._, agissant conjointement, ont formé opposition contre l'un et l'autre projet. Ils sont copropriétaires d'une parcelle voisine (n° 7320 du registre foncier, à Lausanne), de l'autre côté de la route de Berne. Il se trouve sur ce bien-fonds de 527 m2 une maison d'habitation et un garage.
D. La demande d'autorisation de construire pour le parking d'échange a été soumise à l'administration cantonale, le projet nécessitant, outre le permis de construire de compétence communale, différentes autorisations cantonales spéciales au sens de l'art. 120 de la loi cantonale sur l'aménagement du territoire et les constructions (LATC). Ces autorisations spéciales ont été regroupées dans une "décision finale" prise le 29 juin 2007 par le Service de l'aménagement du territoire (alors rattaché au Département des institutions et des relations extérieures). Cette décision est en outre présentée comme celle où l'autorité compétente apprécie la compatibilité du projet de parking avec l'environnement, conformément aux dispositions des art. 17 ss de l'ordonnance relative à l'étude de l'impact sur l'environnement (OEIE; RS 814.011). Précisément, le Service de l'aménagement du territoire a considéré, en fonction du rapport d'impact et de son évaluation par les services spécialisés de l'administration cantonale, que le projet était compatible avec l'environnement, moyennant le respect de certaines conditions prévues dans le rapport d'impact ou prescrites par ces services. La décision finale déclare les oppositions mal fondées, en tant qu'elles portent sur des questions relatives à la protection de l'environnement.
Dans sa séance du 11 juillet 2007, la Municipalité de la commune de Lausanne (ci-après: la municipalité) a décidé de délivrer le permis de construire pour le parking-relais de 1'190 places (autorisation communale, selon les art. 114 ss LATC), et en conséquence de rejeter l'opposition formée par A._, B._ et C._. Cette décision a été communiquée aux opposants par une lettre du 20 juillet 2007; la décision finale du Service de l'aménagement du territoire leur a été notifiée simultanément.
E. La municipalité a également statué dans sa séance du 11 juillet 2007 sur la demande d'autorisation préalable d'implantation pour les bâtiments prévus sur la plate-forme du parking (projet AquaEcopôle et annexes). Elle a accordé cette autorisation préalable (décision de compétence municipale, selon l'art. 119 LATC) et levé l'opposition des consorts A._. B._ et C._. Cette décision leur a été communiquée par un courrier du 23 juillet 2007.
F. Par un acte du 10 août 2007, A._, B._ et C._ ont recouru au Tribunal administratif du canton de Vaud contre les décisions municipales accordant le permis de construire et l'autorisation préalable d'implantation, ainsi que contre la décision finale de l'administration cantonale dans le cadre de l'étude d'impact. Ils demandaient l'annulation de ces décisions en mettant en cause, en substance, le manque de coordination des procédures relatives au parking-relais et aux constructions sur la plate-forme. Ils critiquaient par ailleurs l'évaluation des nuisances du trafic routier. Ils prétendaient aussi que l'impact d'une ligne à haute tension existante (ligne 132 kV des CFF, traversant le périmètre du PAC Vennes) n'avait pas été étudié. Ils faisaient enfin valoir que certaines règles du plan d'affectation, sur la destination ou les dimensions des constructions, n'avaient pas été observées.
Le Tribunal administratif a recueilli les déterminations de la municipalité, du Service cantonal du développement territorial (SDT - nouvelle dénomination du Service de l'aménagement du territoire, désormais rattaché au Département de l'économie), d'autres services de l'administration cantonale (routes; mobilité; environnement et énergie; immeubles, patrimoine et logistique), de l'Office fédéral des transport, ainsi que des "sociétés constructrices" à savoir D._, E._, F._, G._ et H._ (ci-après: D._ et consorts). Le Tribunal administratif a tenu une audience avec toutes les parties, suivie d'une inspection locale.
La Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal du canton de Vaud, qui a succédé au Tribunal administratif le 1er janvier 2008, a statué dans cette cause par un arrêt rendu le 18 janvier 2008. Elle a rejeté le recours dans le sens des considérants (ch. I du dispositif) puis maintenu les décisions de la municipalité et du Service du développement territorial relatives au projet de parking d'échange de 1'190 places, la décision de la municipalité levant l'opposition des recourants à l'autorisation préalable d'implantation des bâtiments A et B réservés aux activités associées au parking-relais, ainsi que les autres décisions cantonales spéciales relatives à ces projets (ch. II du dispositif).
G. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._, B._ et C._ demandent au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt rendu par la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal, ainsi que les deux décisions prises par la municipalité de même que la décision finale sur l'étude d'impact du Service de l'aménagement du territoire. Les recourants se plaignent d'une part de violations des règles du droit fédéral en matière d'étude d'impact sur l'environnement, et d'autre part d'une application arbitraire du droit cantonal et communal sur la police des constructions.
La commune de Lausanne conclut au rejet du recours. D._ et consorts en font de même; D._ précise à cette occasion qu'elle envisage d'acquérir un droit de superficie distinct et permanent sur le bien-fonds concerné, les autres sociétés s'étant associées à elle dans le but de réaliser un ensemble de bâtiments baptisé AquaEcopôle. Le Service du développement territorial, invité à se déterminer au nom de tous les services intéressés de l'administration cantonale, conclut au rejet du recours, dans la mesure où il est recevable. Le Tribunal cantonal propose le rejet du recours.
L'Office fédéral de l'environnement a déposé des observations sur le recours; il a en outre transmis un courrier de l'Office fédéral des transports, lequel a renoncé à se déterminer.
Les parties et autorités intéressées ont ensuite pu déposer des observations complémentaires; elles n'ont pas modifié leurs conclusions.
H. Par une ordonnance du 13 mars 2008, le Président de la Ire Cour de droit public a rejeté la requête d'effet suspensif présentée par les recourants.
Considérant en droit:
1. La voie du recours en matière de droit public est ouverte, la décision attaquée ayant été rendue dans une cause de droit public (art. 82 let. a LTF). Le délai de recours de trente jours (art. 100 al. 1 LTF) a été respecté.
2. L'arrêt du Tribunal cantonal traite de deux autorisations distinctes: d'une part, le permis de construire pour un parking-relais de 1'190 places, et d'autre part l'autorisation préalable d'implantation pour l'ensemble de bâtiments "AquaEcopôle" sur la plate-forme du parking. La municipalité a rendu deux décisions séparées; celles-ci ont fait l'objet d'un seul recours au niveau cantonal et le Tribunal cantonal n'a pas envisagé de disjoindre les deux causes. Matériellement cependant, la contestation porte sur deux objets et il faut examiner, pour l'un et l'autre objet, les conditions de recevabilité du recours au Tribunal fédéral.
2.1 Le permis de construire est l'autorisation sur la base de laquelle une construction ou installation peut être créée ou transformée (art. 22 LAT). En droit cantonal vaudois, la municipalité est en principe compétente pour accorder un permis de construire (art. 114 al. 1 LATC), mais dans certains cas cette autorisation communale ne peut être délivrée que si le projet est préalablement autorisé par une ou plusieurs autorités cantonales. Ces autorisations spéciales délivrées par des départements cantonaux sont régies par les art. 120 ss LATC ainsi que par des dispositions de la législation spéciale. Pour veiller à la coordination (cf. art. 25a LAT), le droit cantonal prévoit une notification simultanée du permis de construire et des autorisations spéciales (art. 123 al. 3 LATC).
Dans le cas particulier, le parking-relais a fait l'objet d'un permis de construire délivré par la municipalité et de plusieurs autorisations cantonales spéciales, regroupées dans une "décision finale". La procédure d'autorisation cantonale est encore soumise, dans le cas particulier, à une réglementation spéciale car la construction d'un parc de stationnement pour plus de 300 voitures requiert une étude de l'impact sur l'environnement (EIE - cf. ch. 11.4 de l'annexe OEIE). Une autorité cantonale - en l'occurrence le département chargé de l'aménagement du territoire, représenté par le Service de l'aménagement du territoire (devenu le Service du développement territorial) - devait donc déterminer au terme de l'étude d'impact si le projet répondait aux prescriptions fédérales et cantonales sur la protection de l'environnement; d'après le règlement cantonal vaudois d'application de l'ordonnance fédérale relative à l'étude de l'impact sur l'environnement (RVOEIE), cette appréciation devait être effectuée dans un acte administratif nommé "décision finale" (art. 13 al. 1 RVOEIE).
Le Tribunal cantonal a confirmé le permis de construire ainsi que les autorisations spéciales délivrées, au terme de la procédure d'étude d'impact, pour le parking-relais. La réalisation de cette construction peut juridiquement être entreprise sur cette base. La décision attaquée est donc, dans cette mesure, une décision finale au sens de l'art. 90 LTF, contre laquelle le recours au Tribunal fédéral est en principe recevable.
2.2 Les constructions projetées sur la plate-forme du parking relais (AquaEcopôle, bâtiments A et B) n'ont pas fait l'objet d'un permis de construire mais d'une autorisation préalable d'implantation. Ce type d'autorisation, qui n'est pas directement prévu en droit fédéral (cf. art. 22 LAT), est défini à l'art. 119 LATC dans les termes suivants:
1 Toute personne envisageant des travaux peut requérir, avant la mise à l'enquête du projet de construction, une autorisation préalable d'implantation. Les articles 108 à 110 et 113 à 116 sont applicables.
2 L'autorisation préalable d'implantation est périmée si, dans les deux ans dès sa délivrance, elle n'est pas suivie d'une demande de permis de construire.
3 L'autorisation ne couvre que les éléments soumis à l'enquête publique préalable.
2.2.1 En déposant une demande d'autorisation préalable d'implantation, le constructeur cherche à obtenir de la municipalité une décision de principe sur l'implantation proprement dite, le volume, la hauteur voire l'affectation de l'ouvrage projeté (cf. Benoît Bovay, Le permis de construire en droit vaudois, 2e éd. Lausanne 1988, p. 70). Si cette autorisation préalable est accordée, la municipalité ne peut en principe plus ensuite, lors de l'examen de la demande de permis de construire (autorisation définitive), remettre en cause les éléments déjà qualifiés de conformes au plan d'affectation ou à la réglementation communale de police des constructions. Il faut cependant que le permis de construire soit demandé dans un certain délai après l'autorisation préalable (délai péremptoire de deux ans, selon l'art. 119 al. 2 LATC; cf. Bovay, op. cit., p. 73). Quant au constructeur, il n'est pas lié par cette autorisation préalable: il n'est pas tenu de présenter, dans sa demande de permis de construire, un projet correspondant à celui qui avait été soumis préalablement à la municipalité.
2.2.2 Il y a lieu tout d'abord de relever que la construction d'un ensemble de bâtiments regroupant un musée scientifique, un hôtel, un centre médical et deux petits commerces n'est pas soumise à une étude d'impact sur l'environnement, aucune de ces installations n'étant mentionnée dans la liste de l'annexe à l'OEIE (cf. art. 1 OEIE). L'étude d'impact effectuée pour le parking-relais, au stade de l'autorisation de construire, concerne uniquement cette installation (quand bien même les pronostics d'occupation du parking et les prévisions de trafic tiennent compte des activités envisagées dans ce secteur ainsi que dans le périmètre général du PAC Vennes). En d'autres termes, du point de vue de l'étude d'impact, le parking-relais et les constructions prévues sur la plate-forme de ce parking sont des objets distincts.
2.2.3 Avant l'entrée en vigueur, le 1er janvier 2007, de la loi sur le Tribunal fédéral (LTF), la jurisprudence considérait que l'octroi d'une autorisation préalable d'implantation ne mettait pas fin à la procédure administrative du permis de construire, et qu'une décision de dernière instance cantonale confirmant une autorisation préalable avait un caractère incident, au sens de l'art. 87 de l'ancienne loi d'organisation judiciaire (OJ). Dans ce genre de contestations, le Tribunal fédéral déclarait en principe irrecevable un recours de droit public formé par un opposant, à défaut de dommage juridique irréparable pour l'auteur du recours (cf. notamment arrêt 1P.341/1996 du 5 novembre 1996 in RDAF 1997 I 136; Robert Zimmermann, Le Tribunal fédéral et l'autorisation préalable de construire, RDAF 1996 p. 286 ss).
La nouvelle loi sur le Tribunal fédéral reprend dans ce contexte en quelque sorte le système de l'ancienne loi d'organisation judiciaire, tant pour le recours en matière de droit public que pour les autres recours (cf. notamment ATF 134 III 188 consid. 2.1 p. 190). En vertu de l'art. 90 LTF, le recours au Tribunal fédéral est recevable contre les décisions finales, qui mettent fin à la procédure. Il est également recevable contre les décisions partielles, notion définie à l'art. 91 LTF (décision qui statue sur un objet dont le sort est indépendant de celui qui reste en cause, ou décision qui met fin à la procédure à l'égard d'une partie des consorts). La recevabilité du recours contre les décisions préjudicielles et incidentes est réglée aux art. 92 et 93 LTF. Le recours est immédiatement ouvert contre de telles décisions quand elles portent sur la compétence ou sur une demande de récusation (art. 92 LTF). S'agissant des autres décisions préjudicielles et incidentes notifiées séparément, elles peuvent faire l'objet d'un recours si elles peuvent causer un préjudice irréparable (art. 93 al. 1 let. a LTF) ou si l'admission du recours peut conduire immédiatement à une décision finale qui permet d'éviter une procédure probatoire longue et coûteuse (art. 93 al. 1 let. b LTF).
Une décision de l'autorité cantonale de dernière instance relative à une autorisation préalable d'implantation n'est pas une décision partielle au sens de l'art. 91 LTF, puisque la municipalité ne statue pas définitivement, à ce stade, sur un élément du projet de construction. En d'autres termes, il ne s'agit pas d'un permis de construire partiel exécutoire (cf. ATF 133 V 477 consid. 4.1.2 p. 480; arrêt 1C_55/2007 du 27 février 2008 destiné à la publication, consid. 1.3.2). Cela reste, comme sous l'empire de l'OJ, une décision incidente, prise pendant le cours de la procédure administrative devant aboutir à l'octroi du permis de construire, et ne représentant qu'une étape vers la décision finale (à propos de la notion de décision préjudicielle ou incidente dans la LTF, cf. ATF 133 III 629 consid. 2.2 p. 631; 133 V 477 consid. 4.1.3 p. 481).
D'après la jurisprudence, un préjudice irréparable au sens de l'art. 93 al. 1 let. a LTF doit être de nature juridique; il doit ne pas pouvoir être réparé ultérieurement par une décision finale favorable au recourant (ATF 134 III 188 consid. 2.1 p. 190 et les références). En l'espèce, on ne voit pas à quel préjudice irréparable les recourants pourraient être exposés, dès lors qu'aucun permis de construire n'a été délivré pour les bâtiments litigieux. Quant à la seconde hypothèse de l'art. 93 al. 1 LTF (let. b: si l'admission du recours peut conduire immédiatement à une décision finale qui permet d'éviter une procédure probatoire longue et coûteuse), elle n'entre pas non plus en considération: à ce stade, une annulation totale ou partielle, par le Tribunal fédéral, de l'autorisation préalable d'implantation n'empêcherait pas le dépôt d'une demande de permis de construire pour un projet modifié, et la procédure administrative devrait de toute manière être menée à chef. On ne se trouve pas dans la situation particulière où la loi permet, sur la base de considérations d'économie de procédure et afin d'éviter des inconvénients sensibles pour les parties au procès, que le recours au Tribunal fédéral soit directement recevable. Si, comme les recourants l'allèguent, une irrecevabilité du recours pourrait les contraindre à intervenir dans la procédure subséquente, en formant opposition à la demande de permis de construire, puis éventuellement en se pourvoyant contre la décision de rejet de leur opposition, il n'est pas question pour eux en pareil cas d'une procédure probatoire longue et coûteuse (cf. arrêt non publié 1C_327/2007 du 6 juin 2008, consid. 1.3.2).
2.2.4 Il s'ensuit que le recours est irrecevable en tant qu'il vise l'autorisation préalable d'implantation.
3. La question de la qualité pour recourir, définie pour le recours en matière de droit public à l'art. 89 LTF, doit encore être examinée. Les trois recourants, copropriétaires d'un bien-fonds voisin du terrain où il est prévu de construire le parking-relais, ont pris part à la procédure devant le Tribunal cantonal; ils satisfont donc à la première condition posée pour le recours des particuliers (art. 89 al. 1 let. a LTF). D'après la loi, le recourant doit encore être particulièrement atteint par la décision attaquée (art. 89 al. 1 let. b LTF) et avoir un intérêt digne de protection à l'annulation ou à la modification de celle-ci (art. 89 al. 1 let. c LTF). Cette disposition reprend les exigences qui prévalaient sous l'empire de la loi fédérale d'organisation judiciaire pour le recours de droit administratif (art. 103 let. a OJ). Le recourant doit être touché dans une mesure et avec une intensité plus grandes que la généralité des administrés, et l'intérêt invoqué - qui n'est pas nécessairement un intérêt juridiquement protégé, mais qui peut être un intérêt de fait - doit se trouver, avec l'objet de la contestation, dans un rapport étroit, spécial et digne d'être pris en considération; il faut donc que l'admission du recours procure au recourant un avantage, de nature économique, matérielle ou idéale (cf. ATF 133 II 249 consid. 1.3.1 p. 252, 409 consid. 1.3 p. 413 et la jurisprudence citée).
En l'occurrence, vu la faible distance entre l'immeuble des recourants et l'emplacement réservé au parking-relais, et compte tenu des nuisances supplémentaires que le trafic des utilisateurs d'une telle installation est susceptible de provoquer dans le voisinage direct - quand bien même cette partie de la ville de Lausanne est déjà traversée par une autoroute et une route principale importante -, il faut admettre que les conditions de l'art. 89 al. 1 let. b et c LTF sont remplies. Au demeurant, les recourants se prévalent précisément des normes du droit fédéral sur la protection contre les nuisances et ils prétendent que le parking-relais empiéterait sur un espace non-constructible; suivant l'issue de la procédure, leur situation concrète de voisins pourrait être influencée. Le recours est donc recevable, dans cette mesure, et il y a lieu d'entrer en matière.
4. Les recourants se plaignent de violations des règles du droit fédéral relatives à l'étude de l'impact sur l'environnement (EIE).
4.1 Avant d'examiner en détail les griefs des recourants, il convient de rappeler que l'étude d'impact s'est déroulée, dans le cas particulier, en plusieurs étapes. Une première étape est intervenue en 2001 lors de l'adoption du plan d'affectation cantonal (PAC Vennes), ce plan prévoyant l'agrandissement du parking-relais et, dans le reste du périmètre, la création de 650 nouvelles places de stationnement. Le PAC Vennes a été modifié en 2006 (addenda), pour permettre de créer un parking-relais de 1'200 places, et un complément au rapport d'impact de première étape a été établi, toujours au stade du plan d'affectation. Puis la deuxième étape de l'étude d'impact a été effectuée dans le cadre de la procédure d'autorisation de construire, en tenant compte des dimensions du parking prévues par le plan d'affectation cantonal modifié.
Aux termes de l'art. 5 al. 2 OEIE, l'EIE est effectuée dans le cadre d'une procédure donnée ("procédure décisive"). Pour certaines installations, cette procédure est désignée dans l'annexe à l'ordonnance fédérale; pour d'autres, l'annexe renvoie au droit cantonal (cf. art. 5 al. 3 OEIE), notamment s'agissant des parcs de stationnement pour plus de 300 voitures (ch. 11.4 annexe OEIE). Le droit fédéral impose alors aux cantons de choisir la procédure qui permet à l'autorité compétente de commencer ses travaux le plus rapidement possible et d'effectuer une EIE exhaustive (art. 5 al. 3, 2e phrase OEIE). Dans les cas où les cantons prévoient l'établissement d'un plan d'affectation spécial ou de détail, cette procédure est considérée comme la procédure décisive, à condition qu'elle permette de procéder à une EIE exhaustive (art. 5 al. 3, 3e phrase OEIE). Le droit fédéral admet aussi que le droit cantonal prévoie une "EIE par étapes", en plusieurs procédures successives; l'art. 6 OEIE exige alors que chacune de ces procédures permette à l'autorité compétente d'obtenir toutes les informations dont elle a besoin pour pouvoir se prononcer au terme de la procédure en question. Selon la jurisprudence, l'EIE par étapes pourra notamment intervenir lorsqu'un plan d'affectation spécial n'est pas suffisamment détaillé pour permettre une appréciation exhaustive d'un projet, mais qu'il règle néanmoins certaines questions déterminantes quant aux dimensions, à l'implantation ou à l'équipement de l'installation, lesquelles ne pourront en principe plus être revues dans la phase ultérieure de l'autorisation de construire. En effet, conformément aux principes du droit fédéral de l'aménagement du territoire, il n'est plus possible, dans une contestation relative à une autorisation de construire, de remettre en cause le contenu du plan d'affectation ni d'en contrôler, à titre incident ou préjudiciel, la validité (cf. ATF 131 II 103 consid. 2.4.1 p. 110; 125 II 643 consid. 5d p. 657 et les arrêts cités).
Le Conseil d'Etat du canton de Vaud a adopté le 25 avril 1990 un règlement d'application de l'ordonnance fédérale relative à l'étude de l'impact sur l'environnement (RVOEIE). Pour les "parcs de stationnement (terrain ou bâtiment) pour plus de 300 voitures", ce règlement désignait comme procédure décisive la procédure d'autorisation spéciale selon les art. 120 ss LATC (ch. 11.4 annexe RVOEIE - cette norme a été révisée le 6 février 2008, et désigne désormais la procédure communale de permis de construire comme procédure décisive, mais il n'y a pas lieu de tenir compte de la nouvelle réglementation dans le présent arrêt). Toutefois, selon l'art. 3 al. 1 REIE, lorsque la réalisation d'une installation soumise à l'EIE est prévue par un plan d'affectation spécial, l'EIE est mise en oeuvre dès l'élaboration du plan s'il comporte des mesures détaillées. D'après l'art. 3 al. 2 REIE, la procédure d'adoption et d'approbation du plan est alors la procédure décisive et l'EIE peut se limiter dans une première étape aux éléments déterminants pour cette procédure (EIE par étapes). Selon l'art. 5 al. 1 RVOEIE, la deuxième étape s'effectue dans le cadre de la procédure décisive mentionnée dans l'annexe et elle porte sur les données et informations nouvelles qui n'ont pu être prises en considération dans la première étape.
Le système du droit cantonal vaudois paraît conforme au droit fédéral. En l'espèce, le choix d'effectuer une EIE par étapes est approprié; il n'est en tout cas pas contesté par les recourants.
4.2 Les recourants font essentiellement valoir que le rapport d'impact a sous-évalué les nuisances des "activités de couverture" (celles provenant de l'exploitation des bâtiments prévus sur la plate-forme du parking-relais, en d'autres termes de l'AquaEcopôle). Ils soutiennent que ce n'est que lors de la seconde étape de l'EIE que les nuisances du parking-relais pouvaient être évaluées, les activités prévues sur la plate-forme étant désormais clairement déterminées par les constructeurs (la Ville de Lausanne ainsi que D._ et consorts). D'après eux, ces "activités associées" entraîneraient une utilisation intensive du parking et la scission à ce stade des deux procédures (autorisation de construire/autorisation préalable d'implantation) ne doit pas empêcher un examen global de la situation. Selon les termes des recourants, il faut que l'autorité cantonale ait à disposition une étude d'impact qui analyse non seulement l'agrandissement du parking-relais dans le prolongement de l'étude d'impact de novembre 2000 ou de juin 2005, mais également l'effet concret de l'affectation prévue pour les "activités de couverture"; or l'analyse faite par les auteurs du dernier rapport d'impact, du 14 novembre 2006, consiste à reprendre des données des précédentes études sans qu'il y ait clairement une identification de l'influence des "activités de couverture" dans la génération de trafic. Les recourants citent ensuite l'art. 9 al. 2 LPE et font valoir, à propos des différentes rubriques de cette disposition (cf. infra), que "l'EIE du 14 novembre 2006" est lacunaire ou qu'elle ne contient pas de données fiables ou actualisées.
4.2.1 La réglementation de l'étude d'impact dans la loi fédérale sur la protection de l'environnement (LPE) a été modifiée par une novelle du 20 décembre 2006, entrée en vigueur le 1er juillet 2007 (RO 2007 2701). Jusqu'à cette date, l'étude de l'impact sur l'environnement était définie à l'art. 9 LPE. Depuis lors, cette procédure est réglée au chapitre 3 de la loi (art. 10a à 10d LPE), l'art. 9 LPE ayant en conséquence été abrogé.
En l'espèce, les nouveaux art. 10a à 10d LPE étaient déjà en vigueur lorsque l'autorisation de construire a été délivrée par l'autorité communale (les 11/20 juillet 2007). En revanche, à la date de la "décision finale" de l'administration cantonale (le 29 juin 2007), l'art. 9 LPE était encore applicable. La novelle du 20 décembre 2006 ne contient pas de disposition transitoire à propos de l'application du nouveau droit dans les procédures en cours. Comme les règles du droit fédéral en matière d'étude d'impact sont des règles de procédure, complémentaires aux règles formelles ordinaires concernant les plans d'affectation et les autorisations de construire (cf. ATF 116 Ib 260 consid. 1a p. 262), le nouveau droit est en principe directement applicable dès son entrée en vigueur (cf. notamment, à propos des régimes de droit transitoire en droit administratif, Ulrich Meyer/Peter Arnold, Intertemporales Recht - Eine Bestandesaufnahme anhand der Rechtsprechung der beiden öffentlich-rechtlichen Abteilungen des Bundesgerichts und des Eidgenössischen Versicherungsgericht, RDS 2005 I p. 135). Quoi qu'il en soit, cette question n'est pas décisive dans le cas d'espèce.
4.2.2 En effet, la norme invoquée par les recourants - l'ancien art. 9 al. 2 LPE - définit le contenu du rapport d'impact. Le nouveau droit prévoit toujours l'établissement, par l'auteur du projet, d'un rapport d'impact, ou "rapport relatif à l'impact sur l'environnement" (art. 10b LPE). Le rapport d'impact doit être examiné par les services spécialisés de l'administration (art. 9 al. 5 aLPE, art. 10c LPE). C'est sur la base de ce rapport, des avis des services spécialisés et d'éventuelles autres informations, explications ou expertises complémentaires que l'autorité compétente se prononce au sujet de la compatibilité du projet avec les dispositions en matière d'environnement (cf. art. 9 al. 6 aLPE, art. 10b al. 4 LPE). L'étude d'impact proprement dite est l'examen du projet, au regard des prescriptions fédérales sur la protection de l'environnement, effectué par l'autorité compétente dans la procédure décisive (cf. art. 3 OEIE); c'est en d'autres termes un processus, et non pas un document ni une décision (cf. ATF 116 Ib 260 consid. 1c p. 264).
Le rapport d'impact est évidemment un élément essentiel pour l'étude d'impact. D'après l'art. 9 al. 2 aLPE, ce document comporte les indications nécessaires pour l'appréciation du projet selon les dispositions sur la protection de l'environnement; il est précisé que les points suivants doivent y figurer:
a. l'état initial;
b. le projet, y compris les mesures prévues pour la protection de l'environnement et pour les cas de catastrophes;
c. les nuisances dont on peut prévoir qu'elles subsisteront;
d. les mesures qui permettraient de réduire encore davantage ces nuisances, ainsi que leur coût.
L'art. 10b al. 2 LPE a une teneur qui correspond matériellement à cette ancienne disposition, sous réserve de la suppression de la let. d. Le législateur a en effet estimé qu'il n'y avait plus lieu d'inclure dans le rapport d'impact des propositions de mesures de réduction des nuisances au-delà des exigences de la législation, cette modification ne compromettant toutefois pas l'application du principe de prévention (cf. Rapport de la commission juridique du Conseil des Etats sur l'initiative parlementaire "Simplification de l'examen d'impact sur l'environnement et prévention d'abus grâce à une définition plus précise du droit de recours des organisations", FF 2005 p. 5057).
La modification du texte légal ne change pas l'objet de l'étude d'impact proprement dite, à savoir l'appréciation de la compatibilité de l'installation avec les exigences de la protection de l'environnement. En d'autres termes, cela n'a aucune influence sur les normes du droit matériel que l'autorité compétente doit appliquer dans la procédure de planification ou d'autorisation de construire.
Dans le cas particulier, les griefs des recourants, même s'ils se réfèrent à l'art. 9 al. 2 aLPE, concernent l'évaluation du bruit du trafic routier et, de manière très accessoire, la pollution de l'air et le rayonnement électromagnétique de la ligne à haute tension existante (cf. infra, consid. 4.3 et 4.4). Il ressort de leur argumentation qu'ils ne se plaignent pas de violations de règles de procédure lors de la mise en oeuvre de l'étude d'impact (par exemple à propos du contenu du dossier mis à l'enquête publique, où se trouvait le rapport d'impact).
Pour l'évaluation des nuisances futures du trafic routier, un pronostic est nécessaire; le bruit déterminé sur la base de ce pronostic doit être limité selon les règles ordinaires sur la limitation des émissions (art. 11 ss LPE, art. 7 ss OPB). Les recourants peuvent donc, à ce propos, dénoncer un établissement manifestement inexact des faits pertinents, dans l'arrêt du Tribunal cantonal (art. 97 al. 1 LTF), ou encore une violation du droit fédéral de la protection de l'environnement (art. 95 let. a LTF). C'est uniquement dans ce cadre que les éléments de l'étude d'impact peuvent en l'espèce être contestés (cf. Heinz Aemisegger, Die Umweltverträglichkeitsprüfung in der Praxis des Bundesgerichts, DEP 2004 p. 414). C'est pourquoi il importe peu de se prononcer sur les conséquences éventuelles, dans cette situation transitoire, de la modification de la norme légale définissant le contenu du rapport d'impact.
4.2.3 Il ressort de l'arrêt attaqué que lors de l'élaboration de l'addenda au PAC Vennes, la génération de trafic pour le parking-relais de 1'200 places avait été estimée en tenant compte des activités prévues dans les bâtiments à réaliser sur la plate-forme. Dans le complément au rapport d'impact de première étape (document de 2005), il était indiqué que 150 places du parking seraient réservées à ces activités. Un coefficient de rotation de 1.5 avait été retenu (correspondant à 3 mouvements journaliers de véhicule par place de parc), en tenant compte du fait que les plus fortes fréquentations des bâtiments de la plate-forme auraient lieu pendant les soirées et les week-ends, soit durant les périodes de faible occupation du parking-relais par les pendulaires. Le trafic total lié à l'exploitation du parking-relais était donc estimé à 3'600 véhicules par jour (1'200 x 3).
Dans le rapport d'impact de deuxième étape (de 2006), des précisions ont été données au sujet de la répartition des 1'190 places dans le parking-relais: 150 places étaient également réservées aux utilisateurs des bâtiments sur la plate-forme (musée, hôtel, centre médical et magasin). Le même taux de rotation (3 mouvements de véhicule par place et par jour, donc 3'600 mouvements) a été retenu, en fonction de l'ensemble des activités. Une complémentarité entre le parking d'échange et le musée AquaEcopôle a été recherchée, les visiteurs du musée pouvant utiliser les places des pendulaires en soirée et durant le week-end.
Pour sa part, le Tribunal cantonal a considéré que le pronostic de trafic de 3'600 mouvements de véhicules par jour, pour l'exploitation du parking-relais et des activités associées, était "non seulement correct mais probablement surestimé".
Les recourants font valoir que ce chiffre ne repose sur aucune base scientifique. Selon eux, la présence d'une gare du métro "m2" rendra beaucoup plus attractif le parking-relais; en outre, la vocation de l'AquaEcopôle est d'attirer un public supra-régional, dont une grande partie utilisera des véhicules individuels. Ces critiques, qui demeurent assez générales, ne sont toutefois pas concluantes. Un parking d'échange pour pendulaires bien situé (à la sortie de l'autoroute et à proximité directe d'une gare de métro) est prioritairement destiné aux personnes y garant leur véhicule le matin, durant la semaine, et quittant leur place de parc en fin de journée; rendre attractif un tel parking n'est donc pas censé entraîner un accroissement du nombre de mouvements de véhicules, pour cette catégorie principale d'utilisateurs. Cela étant, les pronostics de trafic, pour de nouveaux parkings ou centres commerciaux, sont par nature relativement incertains et le Tribunal fédéral doit faire preuve de réserve à ce propos; il n'a pas à les revoir en détail lorsqu'ils paraissent défendables (cf. ATF 131 II 470 consid. 3.3 p. 477; Aemisegger, op. cit., p. 410). Aussi y a-t-il lieu de s'en tenir, au sujet de ces pronostics, aux constatations de l'arrêt attaqué, correspondant à celles des rapports d'impact successifs.
Au demeurant, il n'est évidemment pas critiquable de reprendre, à l'occasion de la deuxième étape de l'étude d'impact, des pronostics de trafic élaboré au cours de la première étape. Le système de l'étude d'impact par étapes permet à l'autorité compétente de se fonder sur les données déjà acquises au stade du plan d'affectation, si elles sont toujours actuelles (cf. supra, consid. 4.1). Il convient encore de relever que les recourants auraient pu contester sur ce point la décision d'adoption de l'addenda au PAC Vennes; or ils avaient renoncé à le faire.
4.2.4 Sur la base des prévisions de trafic et de la répartition probable de flux de véhicules sur les différentes routes du secteur - notamment sur ce que l'arrêt attaqué désigne comme le "tronçon critique de la route de Berne (jonction nord - chemin de Valmont)", soit le tronçon de cette route principale qui longe la propriété des recourants -, le Tribunal cantonal a examiné si les exigences du droit fédéral, en matière de protection contre le bruit, étaient respectées. Il a considéré que l'art. 9 let. b OPB était applicable; selon cette disposition, l'exploitation d'installations fixes nouvelles ou notablement modifiées ne doit pas entraîner la perception d'immissions de bruit plus élevées en raison de l'utilisation accrue d'une voie de communication nécessitant un assainissement. Le Tribunal cantonal a ensuite évalué l'augmentation du niveau de bruit à l'endroit le plus exposé le long de la route de Berne, où un assainissement devrait intervenir dans les délais prescrits, et il a considéré que cette augmentation, de 0.2 dB(A), ne serait pas perceptible.
Les recourants ne développent aucune argumentation précise à l'encontre de ce considérant de l'arrêt attaqué, où le Tribunal cantonal a examiné en détail ces questions. Ils se bornent à mentionner l'art. 9 OPB, à l'appui du grief de violation de l'art. 9 al. 2 let. c aLPE, sans en rappeler la portée dans le cas particulier, et ils ne se réfèrent à aucune autre norme du droit fédéral sur la limitation des émissions. Ils se contentent d'allégations d'ordre général, affirmant par exemple qu'aucune mesure ne serait prévue pour réduire les nuisances induites par le projet, ou encore que l'étude d'impact ne reposerait sur aucun élément solide s'agissant du trafic existant et du niveau des nuisances sonores générées par la route de Berne. Il font également valoir que cette route est excessivement bruyante, sans toutefois expliquer en quoi les nuisances secondaires du parking-relais seraient un élément déterminant de ce point de vue; or, l'assainissement de la route cantonale devra intervenir, le cas échéant, dans une procédure distincte, comme cela a été exposé dans l'arrêt attaqué. Concernant l'application à l'installation litigieuse (le parking-relais) des règles fédérales en matière de protection contre le bruit, leur recours au Tribunal fédéral ne contient donc pas même une motivation succincte, propre à démontrer en quoi l'arrêt attaqué violerait le droit fédéral, comme l'exige l'art. 42 al. 2 LTF. Il n'y a donc pas lieu de contrôler si les normes du droit matériel (l'art. 9 let. b OPB et les autres normes du droit fédéral sur la limitation des émissions de bruit) ont été bien appliquées par le Tribunal cantonal.
4.3 Les recourants font valoir que l'étude d'impact ne permet pas de contrôler le respect de l'ordonnance sur la protection de l'air (OPair; RS 814.318.142.1). Ils ne développent pas davantage leur argumentation à ce propos, alors que le Tribunal cantonal a examiné en détail cette question dans son arrêt. Le recours au Tribunal fédéral, sur ce point, n'est donc pas motivé conformément aux exigences de l'art. 42 al. 2 LTF.
4.4 Les recourants font également valoir que l'étude d'impact ne permet pas de contrôler le respect de l'ordonnance sur la protection contre le rayonnement non ionisant (ORNI; RS 814.710). Ils se réfèrent à la présence d'une ligne à haute tension dans le périmètre du PAC Vennes, qui devrait être surélevée. Ils reprochent aux auteurs du rapport d'impact de n'avoir pas analysé les effets de cette modification de la ligne électrique.
Traitant les griefs des recourants concernant la ligne à haute tension, le Tribunal cantonal a considéré que la modification de cette installation était rendue nécessaire uniquement par les constructions prévues sur la plate-forme du parking-relais. Il s'agissait donc, au niveau cantonal, d'une question à traiter dans le cadre du recours contre l'autorisation préalable d'implantation. Cela n'est pas contesté par les recourants. Comme le recours au Tribunal fédéral n'est pas ouvert pour contester la décision relative à cette autorisation préalable (cf. supra, consid. 2.2), il n'y a pas lieu d'examiner plus avant les griefs des recourants à ce propos. Quoi qu'il en soit, il est douteux que les exigences de motivation de l'art. 42 al. 2 LTF soient respectées à cet égard, étant rappelé que sur ce point également, l'arrêt attaqué contient des considérations détaillées.
4.5 Il résulte de ce qui précède que les griefs de violation du droit fédéral de la protection de l'environnement sont soit irrecevables soit mal fondés.
5. Les recourants se plaignent d'une application arbitraire de certaines prescriptions du droit cantonal et communal sur la police des constructions.
5.1 Leur premier grief concerne le nombre de niveaux autorisés dans le secteur G1 du PAC Vennes. Ils soutiennent qu'en additionnant les trois niveaux du parking-relais et les quatre niveaux habitables des bâtiments prévus sur la plate-forme, on obtiendrait un ensemble de six niveaux au-dessus du niveau du terrain existant; or le PAC Vennes limitant ce nombre à trois (R+3).
Il ressort de l'argumentation des recourants que le parking-relais, en tant que tel, n'est d'après leurs calculs pas en contradiction avec la règle limitant le nombre de niveaux (selon eux, le parking correspond à un bâtiment R+2). Leurs griefs concernent donc exclusivement les bâtiments prévus sur la plate-forme. Or, comme on l'a déjà exposé, le recours au Tribunal fédéral est irrecevable en tant qu'il conteste la décision relative à l'autorisation préalable d'implantation (cf. supra, consid. 2.2).
5.2 Les recourants critiquent l'octroi d'une dérogation pour la construction du parking-relais.
5.2.1 L'arrêt attaqué décrit ainsi l'objet de la contestation: l'implantation de la façade ouest du parking-relais déborde légèrement sur la limite des constructions fixée par l'addenda au PAC Vennes; à l'endroit le plus marqué, qui forme un arrondi, le débordement est de l'ordre de 1.5 m sur une longueur de 10 m environ, puis il diminue pour atteindre moins de 0.5 m. Cela permet de faire coïncider l'implantation de cette façade avec le mur de soutènement du tunnel d'accès à l'atelier d'entretien du métro "m2".
5.2.2 Le Tribunal cantonal a admis la dérogation en se fondant principalement sur la règle du droit cantonal relative aux dérogations dans la zone à bâtir, à savoir l'art. 85 al. 1 LATC. Il faut, selon cette norme, que des motifs d'intérêt public ou des circonstances objectives le justifient; il ne faut pas porter atteinte à un autre intérêt public ni à des intérêts prépondérants de tiers.
Pour la juridiction cantonale, la dérogation requise est de minime importance par rapport à l'ensemble du projet; il s'agit de légères adaptations de l'implantation du parking par rapport à une limite des constructions. Cette dérogation est justifiée par des circonstances objectives, le choix de faire coïncider la façade et le mur de soutènement du métro étant qualifiée de mesure d'ordre technique. Elle ne porte en outre atteinte à aucun intérêt digne de protection; en particulier elle n'a pas d'influence sur les aspects du projet qui touchent les intérêts des recourants. L'arrêt attaqué relève encore que la limite des constructions fixée dans le plan d'affectation cantonal correspond, à cet endroit, à l'alignement prévu par le droit fédéral le long de la voie de raccordement (bretelle) à la sortie de l'autoroute, et que les autorités fédérale et cantonale chargées des routes nationales se sont prononcées en faveur de cet empiétement.
5.2.3 Les recourants se plaignent d'une application arbitraire des règles sur les dérogations. Selon la jurisprudence, l'arbitraire, prohibé par l'art. 9 Cst., ne résulte pas du seul fait qu'une autre solution pourrait entrer en considération ou même qu'elle serait préférable; le Tribunal fédéral ne s'écarte de la solution retenue en dernière instance cantonale que si elle est insoutenable ou en contradiction manifeste avec la situation effective, si elle méconnaît gravement une norme ou un principe juridique clair et indiscuté ou si elle heurte de manière choquante le sentiment de la justice ou de l'équité. Il ne suffit pas que la motivation de la décision soit insoutenable; encore faut-il qu'elle soit arbitraire dans son résultat (ATF 133 I 149 consid. 3.1 p. 153 et les arrêts cités).
Les recourants font valoir que la dérogation entraîne une emprise au sol du parking dans sa partie aval, et qu'elle accroît par conséquent l'impact visuel de la construction depuis leur parcelle. Or, compte tenu de la configuration des lieux, il n'est pas certain que la partie concernée de la façade du parking soit effectivement visible depuis l'immeuble des recourants. Au cas où les recourants pourraient voir une partie de cet empiétement, il ressort des plans du projet que le dégagement en direction du sud ne serait pas sensiblement rétréci, par rapport à l'angle de vision disponible avec un parking implanté sur la limite des constructions. La juridiction cantonale pouvait donc retenir, sans arbitraire, l'absence d'atteinte à un intérêt digne de protection des recourants. Pour le reste, les recourants se bornent à contester de manière toute générale l'intérêt public à l'octroi de la dérogation, sans prétendre qu'elle ne serait pas de minime importance, élément qui était décisif pour le Tribunal cantonal et qui doit entrer en ligne de compte. Dans ces circonstances, la dérogation n'apparaît pas insoutenable et le grief de violation de l'art. 9 Cst. est mal fondé.
6. Il s'ensuit que le recours doit être rejeté, dans la mesure où il est recevable.
Les recourants, qui succombent, doivent supporter les frais judiciaires (art. 65 al. 1 et art. 66 al. 1 LTF). Les intimées D._ et consorts ont droit à des dépens, à la charge des recourants (art. 68 al. 1 et 2 LTF). La commune de Lausanne n'a pas droit à des dépens; il faut en effet considérer qu'après qu'il a été prévu de constituer un droit de superficie en faveur de D._, la commune n'agit plus dans cette procédure en tant que propriétaire foncier et promoteur du projet, mais dans l'exercice de ses activités officielles (art. 68 al. 3 LTF). Les autorités cantonales n'ont pas non plus droit à des dépens, pour les mêmes motifs.
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté, dans la mesure où il est recevable.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 3'000 fr., sont mis à la charge des recourants A._, B._ et C._, solidairement entre eux.
3. Une indemnité de 2'000 fr., à payer à titre de dépens aux intimées D._, E._, F._, G._ et H._, créancières solidaires, est mise à la charge des recourants A._, B._ et C._, solidairement entre eux.
4. Le présent arrêt est communiqué aux mandataires des parties, à la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal du canton de Vaud et à l'Office fédéral de l'environnement.
Lausanne, le 10 juillet 2008
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Le Greffier:
e.r. Aemisegger Jomini