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.
Considérant en droit:
1. Dirigé contre une décision finale (art. 90 LTF) prise en dernière instance cantonale (art. 86 al. 1 let. d LTF) dans le domaine du droit public des constructions et de la protection des eaux souterraines (art. 82 let. a LTF), le recours est recevable comme recours en matière de droit public selon les art. 82 ss LTF, aucune des exceptions prévues à l'art. 83 LTF n'étant réalisée. La recourante a pris part à la procédure de recours devant le Tribunal cantonal. Elle est particulièrement touchée par l'arrêt attaqué confirmant le refus de l'autorisation préalable d'implantation sollicitée. Elle peut ainsi se prévaloir d'un intérêt personnel et digne de protection à l'annulation de l'arrêt attaqué, et a qualité pour agir au sens de l'art. 89 al. 1 LTF.
2. La recourante se plaint d'abord d'une atteinte grave à la garantie de la propriété (art. 26 Cst.). Comme tout droit fondamental, la propriété ne peut être restreinte qu'aux conditions de l'art. 36 Cst. La restriction doit donc reposer sur une base légale - sur une loi au sens formel si la restriction est grave - (al. 1), être justifiée par un intérêt public (al. 2) et respecter le principe de la proportionnalité (al. 3).
2.1 La recourante invoque en premier lieu le principe de la légalité, au sens de l'art. 36 al. 1 Cst. Elle prétend que les décisions refusant de lui délivrer le permis d'implantation souhaité ne reposent sur aucune base légale cantonale suffisante susceptible de restreindre son droit de bâtir tel que défini dans le règlement communal. D'une part, la loi vaudoise du 17 septembre 1974 sur la protection des eaux contre la pollution (LPEP; RSV 814.31) ne fixerait aucune restriction au droit de la propriété. D'autre part, le chiffre 222 de l'annexe 4 de l'ordonnance du 28 octobre 1998 sur la protection des eaux (OEaux; RS 814.21), ne saurait constituer la base légale idoine puisque l'art. 20 al. 1 de la loi fédérale du 24 janvier 1991 sur la protection des eaux (LEaux; RS 814.20) conférerait aux seuls cantons et non au Conseil fédéral, le droit d'imposer des restrictions nécessaires au droit de propriété.
2.1.1 Le pouvoir d'examen du Tribunal fédéral, dans le contrôle de la base légale dépend de la gravité des restrictions du droit de propriété du recourant. Si la restriction est grave, le Tribunal fédéral examine librement la légalité de la mesure de protection (ATF 126 I 219 consid. 2c p.222 et les arrêts cités). Si la restriction n'est pas grave, il se borne à examiner si la juridiction cantonale a interprété de manière arbitraire la norme invoquée comme base légale (cf. ATF 130 I 360 consid. 1.2 p. 362; 126 I 213 consid. 3a p. 218, 219 consid. 2c p. 221 et les arrêts cités).
L'atteinte au droit de propriété est tenue pour particulièrement grave lorsque la propriété foncière est enlevée de force ou lorsque des interdictions ou des prescriptions positives rendent impossible ou beaucoup plus difficile une utilisation du sol actuelle ou future conforme à sa destination (ATF 135 III 633 consid. 4.3. p. 637; 131 I 333 consid. 4.2 p. 340). En revanche, n'ont pas été considérées comme des restrictions graves à la propriété la décision qui refuse une autorisation de construire au motif que l'indice d'utilisation du sol est dépassé (arrêt 1C_332/2007 du 13 mars 2008, consid. 2.2 et les arrêts cités) et la décision qui impose de suivre les règles d'une zone réservée à des "activités sans nuisances" (arrêt 1A.9/2005 du 4 août 2005 consid. 4.1).
La décision litigieuse qui porte sur le refus d'autoriser la surélévation d'une villa qui se situe dans une zone S2 de protection des eaux en principe inconstructible, ne porte pas non plus une atteinte grave à la propriété. Il suffit dès lors d'une base légale au sens matériel, que le Tribunal fédéral examinera uniquement sous l'angle de l'arbitraire (ATF 131 I 333 consid. 4.2 p. 340; 130 I 360 consid. 14.2 p. 362; pour la définition de l'arbitraire, voir entre autres ATF 137 I 1 consid. 2.4 p. 5).
2.1.2 L'art. 20 al. 1 LEaux impose aux cantons de délimiter des zones de protection autour des captages des eaux souterraines qui sont d'intérêt public et de fixer les restrictions nécessaires au droit de propriété. Décrites à l'annexe 4 de l'OEaux, ces zones se composent de la zone de captage (zone S1), de la zone de protection rapprochée (zone S2) et de la zone de protection éloignée (zone S3). La zone S2 doit empêcher que des germes et des virus pénètrent dans le captage ou l'installation d'alimentation artificielle (annexe 4 OEaux chiffre 123 al. 1 let. a), que les eaux du sous-sol soient polluées par des excavations et travaux souterrains (let. b) et que l'écoulement des eaux du sous-sol soit entravé par des installations en sous-sol (let. c).
L'annexe 4 à l'OEaux, chiffre 222 al. 1 let. a, prévoit que la construction d'ouvrages et d'installations dans la zone S2 n'est pas autorisée, mais que l'autorité peut accorder des dérogations pour des motifs importants si toute menace pour l'utilisation d'eau potable peut être exclue.
2.1.3 En l'occurrence, le refus de surélévation de la villa se fonde sur le chiffre 222 de l'annexe 4 de l'OEaux pour restreindre le droit de propriété. Cette ordonnance est une loi au sens matériel et constitue ainsi une base légale suffisante.
2.2 La recourante estime en second lieu que l'interdiction de surélever sa villa viole le principe de la proportionnalité (art. 36 al. 3 Cst.). Elle avance que le projet litigieux consiste exclusivement en la surélévation de la villa existante, qu'aucun travail d'excavation et aucune pose de nouvelles canalisations ne seront entrepris. Le projet litigieux ne pourrait donc en aucun cas nuire aux trois objectifs de protection définis au chiffre 123 de l'annexe 4 OEaux. L'atteinte aux intérêts privés de la recourante s'avérerait donc excessive par rapport au but poursuivi et causerait un préjudice économique important à la recourante, qui se voit privée de la possibilité d'augmenter la surface brute de plancher de sa villa de 327 m2. L'octroi de la dérogation, expression concrète du principe de la proportionnalité, se justifierait.
2.2.1 Le principe de la proportionnalité exige qu'une mesure restrictive soit apte à produire les résultats escomptés (règle de l'aptitude) et que ceux-ci ne puissent être atteints par une mesure moins incisive (règle de la nécessité); en outre, il interdit toute limitation allant au-delà du but visé et il exige un rapport raisonnable entre celui-ci et les intérêts publics ou privés compromis (principe de la proportionnalité au sens étroit, impliquant une pesée des intérêts; ATF 136 IV 97 consid. 5.2.2 p. 104; 135 I 176 consid. 8.1 p. 186; 133 I 110 consid. 7.1 p. 123 et les arrêts cités).
Le Tribunal fédéral examine librement si une restriction de la propriété viole le principe de la proportionnalité. Il s'impose en revanche une certaine retenue quand il convient de tenir compte de circonstances locales ou de trancher de pures questions d'appréciation (ATF 135 I 176 consid. 6.1 p. 181; 132 II 408 consid. 4.3 p. 416 et les arrêts cités).
2.2.2 Les Instructions pratiques pour la protection des eaux souterraines, publiées par l'Office fédéral de l'environnement, des forêts et du paysage en 2004 (ci-après: les Instructions pratiques) précisent que "la nécessité de construire ou de conserver un ouvrage en zone S2 doit être à ce point fondée et démontrée qu'elle prenne le pas sur les intérêts de la protection des eaux souterraines et de l'approvisionnement en eau potable. La législation fédérale attache beaucoup d'importance à la protection des eaux souterraines. Ne remplissent ainsi les conditions requises pour une dérogation que les ouvrages ou parties d'ouvrages qui doivent impérativement se trouver dans la zone de protection S2 en raison de particularités géologiques ou topographiques, ou parce que la sécurité publique l'exige (p. ex. ouvrages pare-avalanches). Des motifs économiques ou les intérêts des exploitants ne justifient pas une dérogation" (p. 59).
Les Instructions pratiques prévoient également que les chantiers présentent des risques importants pour les eaux souterraines et sont interdits dans l'aire de la zone S2 (cf. p. 64-65).
2.2.3 En l'espèce, le Service des eaux a considéré que la phase de chantier faisait courir des risques importants et divers pour les eaux souterraines, d'où leur interdiction dans l'aire de la zone S2 (cf. Instructions pratiques précitées). Il a ajouté que l'agrandissement requis était susceptible d'accroître à terme l'occupation du bâtiment en termes d'"équivalent-habitant", de créer des activités et des besoins nouveaux incompatibles avec les objectifs de protection des eaux. L'Office fédéral de l'environnement a aussi estimé que le scénario d'un changement d'affectation de l'appartement construit suite à une vente future de la villa (création de deux appartements) aurait pour conséquence que "le nombre d'équivalent-habitant augmenterait, ce qui augmenterait la production des eaux usées". Il a conclu que, pour que les sources d'Arpex puissent être utilisées durablement à des fins d'approvisionnement, il était indispensable d'interdire toute nouvelle construction ou transformation d'installation existante dans la zone S2.
Face à ces différents arguments tendant à la bonne qualité des eaux du captage d'Arpey, les intérêts privés de la recourante ne font pas le poids, surtout en raison de l'absence d'état de nécessité de la surélévation voulue, consistant à ajouter quatre salles de bain, un séjour et cinq chambres, aux dires de l'intéressée sans augmenter le nombre d'occupants, alors qu'elle dispose déjà d'une surface habitable de 203 m2. Pour cette raison d'ailleurs, le Tribunal cantonal a considéré que la première condition de l'octroi d'une dérogation au sens de l'OEaux, soit l'existence de motifs importants, n'était pas remplie.
Dans ces circonstances, la restriction à la garantie de la propriété n'est pas disproportionnée (art. 36 al. 3 Cst.), dès lors que la décision litigieuse est nécessaire et apte à assurer le respect du droit de protection des eaux souterraines et que ce but d'intérêt public ne peut être atteint par une mesure moins incisive. La restriction au droit fondamental considéré respecte donc les conditions posées par l'art. 36 Cst., de sorte que ce grief doit être rejeté.
3. La recourante reproche ensuite au Tribunal cantonal d'avoir appliqué les art. 24c LAT et 42 de l'ordonnance du 28 juin 2000 sur l'aménagement du territoire (OAT; RS 700.1) portant sur les constructions et installations existantes sises hors de la zone à bâtir et non conformes à l'affectation de la zone, alors que la parcelle litigieuse se situe en zone à bâtir.
Elle prétend également que l'instance précédente a appliqué arbitrairement l'art. 80 de la loi cantonale sur l'aménagement du territoire et les constructions du 4 décembre 1985 (LATC; RSV 700.11), en estimant que le projet litigieux aggraverait l'atteinte à la réglementation sur la protection des eaux souterraines.
3.1 Il convient d'abord d'exposer le raisonnement du Tribunal cantonal, dans lequel s'articulent les deux griefs susmentionnés. Dans l'arrêt attaqué, le Tribunal cantonal a examiné si les deux conditions cumulatives (existence de motifs importants et exclusion de toute menace) posées par l'OEaux pour octroyer une dérogation à l'interdiction de construire en zone S2 étaient remplies. Dans l'examen de la première condition, soit l'existence de motifs importants, il a précisé que la nécessité de construire ou de conserver un ouvrage en zone S2 doit être à ce point fondée et démontrée qu'elle prenne le pas sur les intérêts de la protection des eaux souterraines et de l'approvisionnement en eau potable; des motifs économiques ou les intérêts des exploitants ne justifient pas une dérogation. L'instance précédente a considéré qu'il n'était pas exclu de retenir que la protection de la situation acquise liée à la garantie de la propriété était en principe susceptible de constituer un "motif important" de dérogation à l'interdiction de construire en zone S2.
Elle a ensuite examiné si la demande d'agrandissement demeurait dans les limites admises par la garantie de la situation acquise. Dans ce cadre, elle a envisagé deux hypothèses; le déclassement de la parcelle hors de la zone à bâtir par son affectation en zone S2 avec l'application des art. 24c LAT et 42 OAT, et le maintien en zone à bâtir avec l'application de l'art. 80 LATC. L'instance précédente a toutefois laissé ces réflexions indécises, jugeant que le projet ne demeurait pas dans les limites de la garantie de la situation acquise, vu l'absence d'état de nécessité pour la recourante de la surélévation voulue, consistant à ajouter quatre salles-de-bain, un séjour et cinq chambres, alors qu'elle dispose déjà d'une surface habitable de 203 m2.
Dans son examen de la seconde condition, à savoir l'exclusion de toute menace pour l'utilisation d'eau potable, l'instance précédente a retenu qu'une étude tenant compte des implications concrètes du projet d'implantation (notamment sur l'utilisation et l'étanchéité des canalisations) permettait d'apporter la certitude que l'installation considérée ne risquait pas de porter atteinte au captage faisant défaut en l'espèce.
3.2 Il résulte du considérant précédent que les griefs de violation des art. 24c LAT et 42 OAT et d'application arbitraire de l'art. 80 LATC ne sont pas pertinents. En effet, le Tribunal cantonal n'a pas admis que la parcelle litigieuse avait été déclassée, ni appliqué les art. 24c LAT et 42 OAT. En examinant si la demande d'agrandissement demeurait dans les limites admises par la garantie de la situation acquise, il a seulement envisagé cette hypothèse, tout comme celle de l'application de l'art. 80 LATC, pour laisser finalement ces questions indécises (cf. arrêt attaqué consid. 5b p. 15). Dès lors, les griefs précités doivent être écartés.
4. Le recours doit par conséquent être rejeté. Conformément à l'art. 66 al. 1 LTF, les frais judiciaires sont mis à la charge de la recourante qui succombe.
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 3'000 francs, sont mis à la charge de la recourante.
3. Le présent arrêt est communiqué aux mandataires de la recourante et de la Municipalité de Gingins, au Service des eaux, sols et assainissement et à la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal du canton de Vaud, ainsi qu'à l'Office fédéral de l'environnement.
Lausanne, le 14 décembre 2011
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Fonjallaz
La Greffière: Tornay Schaller