Faits:
A. Les parcelles 125 et 190 de la commune de Buchillon font, entre autres, partie d'un site recensé comme gisement de matériaux à exploiter en première priorité, sous le n° 1242-004 du plan directeur des carrières du canton de Vaud (ci-après: PDCar), adopté par le Grand Conseil le 18 septembre 1991. Dans le cadre de l'adaptation du plan précité (PDCar 2, adopté par le Grand Conseil le 9 septembre 2003), le site a été étendu vers le nord. Le volume disponible dans l'entier du gisement défini au PDCar 2 est estimé à environ 2'300'000 m3; le site couvre une surface d'environ 20ha. Seule une partie réduite du gisement est qualifiée d'exploitable.
La partie exploitable du gisement est située sur un plateau en pente très faible orientée au sud, à cheval sur les communes de Buchillon et d'Etoy, de part et d'autre de la route communale des Bruyères. Elle se trouve au nord-ouest du village de Buchillon, dont quelques habitations éparses sont érigées directement à proximité. La partie exploitable du gisement est bordée au sud par l'aire forestière du territoire communal de Buchillon. Les parcelles situées au nord du gisement ont fait l'objet d'un plan cantonal d'affectation (PAC Littoral Parc n ° 299, ci-après: PAC 299), visant à développer les activités au sud de l'autoroute des communes d'Allaman, Aubonne, Etoy et St-Prex. Cette zone s'est considérablement construite et accueille de nombreuses activités. Dans ce cadre, la Société immobilière F._ a développé sur les parcelles jouxtant au nord la route des Bruyères un projet immobilier comprenant notamment la construction d'un EMS (permis de construire délivré le 6 mars 2006) ainsi que d'un hôtel et d'un bâtiment administratif (permis de construire délivrés le 25 mai 2005). Les parcelles situées au sud-ouest de la partie exploitable du gisement, secteur dit "des Croix-Blanches", ont fait l'objet d'un plan partiel d'affectation, adopté par le Conseil communal de Buchillon le 30 mai 2006, et sont destinées à l'habitat de faible densité.
B. Le 27 octobre 2004, le bureau G._ a soumis au Service des eaux, sols et assainissement (SESA) un dossier d'intention portant sur une demande de permis d'exploiter une gravière sur les communes de Buchillon et d'Etoy, au lieu-dit "Les Bruyères". Le dossier comprenait un plan d'extraction (comportant trois aires: A, B et C), un plan pour demande de permis d'exploiter portant sur les aires A et B, un mémoire technique et un rapport d'impact.
Le projet a été mis à l'enquête publique du 12 août au 11 septembre 2005. Portant initialement sur l'exploitation des aires A et B, couvrant environ 3.7 ha, il devait permettre l'extraction d'un volume de graviers d'environ 150'000 m3 (90'000 pour l'aire A et 60'000 pour l'aire B). La durée totale de l'exploitation des aires A et B était estimée à 2.5 à 3 ans, y compris la remise en l'état du site. Aucun traitement des matériaux n'était envisagé sur place. Il était prévu que les camions emportant les matériaux graveleux ne rouleraient pas sur la route des Bruyères, mais partiraient vers le nord en direction de la RC 1 et de l'autoroute en utilisant une route récemment construite en limite des parcelles 1225 et 116. Ensuite, 80 % des matériaux graveleux emprunterait l'autoroute, 10 % serait acheminé en direction d'Allaman et 10 % en direction de St-Prex. Le bâtiment administratif, l'EMS et l'hôtel prévus au nord de la route des Bruyères devaient s'implanter à moins de 100 m du périmètre d'extraction, le futur bâtiment abritant l'EMS se situant à environ 50 mètres de la limite de l'aire A.
Par décision du 31 mai 2006, le Département cantonal de la sécurité et de l'environnement du canton de Vaud (ci-après: le Département cantonal) a levé les oppositions formulées lors de l'enquête publique et a adopté le plan d'extraction avec la seule aire A. L'octroi du permis d'exploiter serait délivré au terme de la procédure d'adoption du plan d'extraction.
Les communes de Buchillon et d'Etoy, l'Association C._ et 160 de ses membres à titre individuel ont recouru contre cette décision. Par arrêt du 13 juillet 2007, le Tribunal administratif du canton de Vaud (actuellement la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal; ci-après: le Tribunal cantonal) a admis les recours. Il a, en substance, considéré que les éléments figurant au dossier ne permettaient pas de vérifier le respect des exigences de la législation sur la protection des eaux, notamment celle selon laquelle, en zone Au de protection des eaux, il convient de laisser une couche de matériaux de protection d'au moins deux mètres au dessus du niveau maximum décennal de la nappe. Le Tribunal cantonal a également constaté que, en raison des nuisances, notamment sonores, le projet posait problème pour les bâtiments voisins (EMS, bâtiment administratif et hôtel) dont la construction était prévue immédiatement au nord de la route de la Bruyère dans le périmètre du PAC 299. Etait relevé à cet égard un problème de coordination entre le développement du PAC et le PDCar et le fait que l'exploitation d'une gravière à 50 mètres d'une maison d'habitation n'était pas concevable au regard des buts et principes régissant l'aménagement du territoire, a fortiori lorsque le bâtiment était destiné à recevoir des personnes âgées. L'arrêt constatait au surplus la conformité du projet au regard des exigences de la législation fédérale sur l'environnement, soit plus particulièrement de la loi fédérale du 7 octobre 1983 sur la protection de l'environnement (LPE; RS 814.01), l'ordonnance du 15 décembre 1986 sur la protection contre le bruit (OPB; RS 814.41) et l'ordonnance du 16 décembre 1985 sur la protection de l'air (OPair; RS 814.318.142.1).
C. En février 2008, le bureau G._, en tant que mandataire de D._, a soumis au Département cantonal un projet réduit par rapport à celui qui avait fait l'objet de l'arrêt du Tribunal cantonal du 13 juillet 2007. Ce nouveau projet porte sur l'extraction de 70'000 m3 de matériaux avec une surface d'exploitation de 15'000 m2 sise sur le territoire de la commune de Buchillon et inscrite entièrement dans l'aire A du dossier présenté en 2004. Le front d'exploitation, déplacé vers le sud, se situe à 75 mètres de la façade la plus proche de l'EMS. L'exploitante a établi un plan d'extraction le 6 mai 2008 correspondant au projet modifié. En relation avec ce projet, G._ a établi un mémoire technique et rapport d'impact complémentaire daté du 10 septembre 2008. Le nouveau projet a été soumis à la commune de Buchillon et à un examen préalable des services de l'Etat. Il n'a été soumis ni à une nouvelle étude d'impact sur l'environnement (le seuil des 300'000 m3 n'étant pas atteint) ni à une nouvelle mise à l'enquête publique.
Par décision du 4 juin 2009, le Département cantonal a adopté le plan d'extraction "Les Bruyères", aire A réduite, selon le plan du 6 mai et le rapport complémentaire de septembre 2008.
Les communes d'Etoy et de Buchillon ont déposé conjointement auprès du Tribunal cantonal un recours contre la décision précitée. La société A._, qui exploite l'EMS construit entre-temps, et l'Association C._ et 134 consorts en ont fait de même. Des oppositions relatives au nouveau projet de gravière ont été formulées notamment par plusieurs pensionnaires de l'EMS (ci-après: B._ et consorts). Ces oppositions ont été considérées comme des recours par le Département cantonal et transmises au Tribunal cantonal.
Après avoir procédé à une inspection locale en présence des parties, le Tribunal cantonal a partiellement admis les recours. Il a réformé la décision du Département cantonal du 4 juin 2009 par l'adjonction des points suivants au ch. 8 "conditions d'exploitation":
- le comblement et la remise en état de la partie de la gravière proche de l'EMS devront s'effectuer à partir du début de la saison froide et l'extraction devra se poursuivre à plus de 100 m de l'EMS dès le printemps de l'année suivante,
- une butte d'une hauteur de 2.5 m sera réalisée à l'endroit mentionné dans le plan d'extraction,
- les matériaux à l'origine des émissions de poussières pendant les périodes sèches prolongées seront humidifiés et un lave-roues sera installé à la sortie de l'accès au site.
La décision a été confirmée pour le surplus.
D. Agissant conjointement par la voie du recours en matière de droit public, les communes d'Etoy et de Buchillon, la société A._, l'Association C._ et ses membres à titre individuel ainsi que B._ et consorts demandent au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt du Tribunal cantonal du 20 mai 2010 ainsi que la décision du Département cantonal du 4 juin 2009. Subsidiairement, ils concluent à l'annulation de l'arrêt cantonal et au renvoi de la cause du Département cantonal pour que le nouveau plan d'extraction soit dûment mis à l'enquête avant qu'il soit statué sur les oppositions. Ils se plaignent pour l'essentiel d'une mauvaise application du droit fédéral en matière d'aménagement du territoire et d'environnement ainsi que d'une violation de leur droit d'être entendus.
Le Tribunal cantonal se réfère aux considérants de son arrêt. Le Département cantonal, par l'intermédiaire du SESA, ainsi que la société D._ concluent au rejet du recours. Invité à se déterminer, l'Office fédéral de l'environnement estime que l'arrêt attaqué est conforme au droit fédéral sur la protection de l'environnement et à celui sur la protection des eaux. Les parties ont pu se prononcer sur les déterminations de l'Office fédéral précité.
Par ordonnance du 19 juillet 2010, le Président de la Ire Cour de droit public a admis la requête d'effet suspensif des recourants.

Considérant en droit:
1. 1.1 La voie du recours en matière de droit public (<ref-law>) est ouverte contre une décision prise par une autorité cantonale de dernière instance dans une contestation portant sur l'application du droit de l'aménagement du territoire et de la protection de l'environnement.
1.2 Selon la jurisprudence, le voisin a qualité pour agir lorsque son terrain jouxte celui du constructeur ou se trouve à proximité immédiate de celui-ci (<ref-ruling> consid. 2b p. 174; <ref-ruling> consid. 5c p. 511). Tel est le cas de la société A._, qui exploite le nouvel EMS construit sur la parcelle 1224, séparée du bien-fonds litigieux par la route des Bruyères.
1.3 Les conditions de l'<ref-law> peuvent également être remplies, même en l'absence de voisinage direct, quand une distance relativement faible sépare l'immeuble du recourant de l'installation litigieuse (cf. <ref-ruling> consid. 2b p. 74 et la jurisprudence citée). La qualité pour agir a ainsi été admise notamment dans des cas où les parcelles litigieuses étaient distantes de 25 m (<ref-ruling> consid. non publié 1b), 45 m (arrêt 1P.643/1989 du 4 octobre 1990 consid. 3b), de 70 m (arrêt 1P.410/1988 du 12 juillet 1989 consid. 2), de 120 m (<ref-ruling> consid. 2 p. 325) ou de 150 m (<ref-ruling> consid. 2c/bb p. 175). Elle a en revanche été déniée dans des cas où cette distance était de 800 m (<ref-ruling> consid. 1b p. 160), respectivement de 600 m (arrêt 1A.179/1996 du 8 avril 1997, RDAF 1997 I 242, consid. 3a), de 220 m (arrêt du 1A.46/1998 du 9 novembre 1998 consid. 3c), 200 m (arrêt du A.122/1983 du 2 novembre 1989, ZBl 85/1984 p. 378, consid. 2a), 150 m (<ref-ruling> consid. 4b p. 123) et de 100 m (arrêt 1C_342/2008 consid. 2). La distance par rapport à l'objet du litige ne constitue toutefois pas l'unique critère pour déterminer la qualité pour agir du voisin. S'il est certain ou très vraisemblable que l'installation litigieuse sera à l'origine d'immissions - bruit, vibrations, lumières ou autres - touchant spécialement les voisins, même situés à quelque distance, ces derniers peuvent avoir qualité pour recourir (cf. <ref-ruling> consid. 3a p. 15; arrêt 1A.179/1996 du 8 avril 1997, RDAF 1997 I 242, consid. 3a).
En l'occurrence, plusieurs recourants, membres de l'Association C._, sont propriétaires de parcelles sises à l'est, à l'ouest et au sud de l'aire A, à une distance comprise entre 100 et 200 m. Ils sont ainsi particulièrement atteints par la décision attaquée (notamment par les émissions de bruit et de poussière liés à l'exploitation de la gravière litigieuse) et ont un intérêt digne de protection à son annulation ou à sa modification.
1.4 Ayant par ailleurs pris part à la procédure devant le Tribunal cantonal, les recourants précités ont qualité pour recourir au sens de l'<ref-law>. La qualité pour agir des autres recourants peut dès lors rester indécise et il y a lieu d'entrer en matière.
2. A titre de mesures d'instruction, les recourants requièrent la mise en oeuvre d'une inspection locale, la transmission du dossier à l'Office fédéral de l'environnement et à l'Office fédéral du développement territorial pour déterminations ainsi que la possibilité de déposer une réplique.
L'Office fédéral de l'environnement a fait parvenir sa prise de position le 11 novembre 2010. Les recourants ont déposé des observations complémentaires le 11 février 2011. Leur demande est dès lors satisfaite sur ces points. Il n'y a toutefois pas lieu de donner suite à la requête d'inspection locale, le Tribunal fédéral s'estimant suffisamment renseigné pour statuer en l'état du dossier, lequel comprend notamment de nombreux plans de la zone litigieuse. De même, il n'a pas été jugé utile de requérir des observations de l'Office fédéral du développement territorial, le dossier ne soulevant pas de questions particulièrement complexes en matière d'aménagement du territoire.
3. Dans un premier grief, les recourants se plaignent de ce que le nouveau projet présenté en 2008 n'a pas fait l'objet d'une mise à l'enquête publique. Par ailleurs, en convertissant l'opposition de B._ et consorts en recours, le Tribunal cantonal les aurait privés de leurs droits de procédure en première instance.
3.1 Lorsqu'un projet a été modifié après avoir été soumis à l'enquête publique, une nouvelle enquête n'est nécessaire, d'après la jurisprudence, que si la modification s'avère essentielle, au point que la nouvelle version doive être assimilée à un nouveau projet (cf. <ref-ruling> consid. 2 p. 478).
3.2 Dans le cas particulier, le Tribunal cantonal a retenu que, par rapport à celui qui avait fait l'objet de l'arrêt du 13 juillet 2007, le projet de 2008 allait dans le sens d'une diminution des impacts pour le voisinage (avec notamment une diminution du volume exploité et de la durée de l'exploitation, un retrait du front d'exploitation par rapport au bâtiment le plus exposé et un relèvement du plancher d'exploitation), ce qui n'est pas contesté. Cette modification n'apparaît pas essentielle au point que l'on doive considérer qu'il s'agit d'un nouveau projet, si bien que c'est à juste titre que les juges cantonaux ont estimé que l'exigence d'une nouvelle mise à l'enquête publique ne serait pas conforme aux principes de la proportionnalité et d'économie de la procédure.
De même, une mise à l'enquête publique du projet modifié ne s'impose pas pour garantir le respect du droit d'être entendus des recourants qui n'avaient pu intervenir lors de l'enquête publique de 2005, puisque ces derniers ont pu prendre connaissance de la totalité du dossier dans le cadre de la procédure devant le Tribunal cantonal, faire valoir leurs griefs à l'encontre du projet et se déterminer sur les réponses circonstanciées de l'exploitante et des autorités concernées, ce qu'ils ne contestent pas non plus. La Cour cantonale relève au demeurant que le litige porte sur des questions de droit qu'elle examine sans restriction. Une éventuelle violation du droit d'être entendu a ainsi été réparée dans la procédure devant le Tribunal cantonal. Il ne se justifie dès lors pas d'exiger une nouvelle mise à l'enquête publique du projet modifié au seul motif que, depuis l'enquête de 2005, les propriétaires de certaines parcelles ont changé. Mal fondé, le recours doit être rejeté sur ce point.
4. Les recourants soutiennent que le projet litigieux ne respecte pas les principes fondamentaux régissant l'aménagement du territoire, en particulier celui qui commande une séparation nette entre les zones d'habitation et autres zones sensibles au bruit d'une part et les zones d'activités incommodantes d'autre part. Ils font valoir qu'il ne se justifie pas d'autoriser l'exploitation d'une gravière dans une zone fortement urbanisée, à proximité immédiate d'un EMS, ce d'autant que la taille du projet ne permet pas une exploitation rationnelle et que d'autres gisements dans la région se prêteraient mieux à une extraction.
4.1 En vertu de l'art. 3 al. 3 let. b de la loi fédérale du 22 juin 1979 sur l'aménagement du territoire (LAT; RS 700), il convient notamment de préserver autant que possible les lieux d'habitation des atteintes nuisibles ou incommodantes, telles que la pollution de l'air, le bruit et les trépidations. Ce principe exige avant tout que les affectations bruyantes et polluantes soient éloignées des zones d'habitation ou que celles-ci en soient protégées. C'est par exemple le cas pour des stands de tir, mais aussi pour les infrastructures de transport ou les exploitations artisanales bruyantes (PIERRE TSCHANNEN, Commentaire LAT, n. 56 ad art. 3 LAT; cf. également <ref-ruling> consid. 7c p. 110 et 127 II 238 consid. 4a p. 245 ).
4.2 En l'espèce, avec le Tribunal cantonal, il y a lieu de relever que les principes rappelés ci-dessus doivent être nuancés compte tenu du fait que l'on ne se trouve pas en présence d'une installation dont on peut choisir librement l'emplacement, comme un stand de tir. Par définition, le gravier doit en effet être extrait là où il se trouve et il s'agit dès lors essentiellement de vérifier si le projet d'extraction respecte les exigences de la législation sur la protection de l'environnement (cf. consid. 5 ss ci-après).
Dans son arrêt du 13 juillet 2007, le Tribunal cantonal avait certes souligné que le projet soulevait un problème délicat de coordination avec la construction des différents bâtiments sis dans le périmètre du PAC 299. Il avait alors considéré que l'exploitation d'une gravière à 50 mètres du futur EMS n'était pas admissible au regard des buts et principes régissant l'aménagement du territoire. Les juges cantonaux retenaient ainsi que le plan d'extraction ne pourrait être approuvé à nouveau si, entre temps, la mise en service de l'EMS était intervenue. Dans l'arrêt attaqué, la Cour cantonale relève à bon droit que le projet a été redimensionné, ce qui justifie de réexaminer sa conformité au regard des buts et principes régissant l'aménagement du territoire. Il est ainsi à noter que, par rapport à l'ancien projet, l'extraction de matériaux a passé de 90'000 m3 à 70'000 m3 et que le front d'exploitation a reculé à 75 m de l'EMS. La Cour cantonale a également pris en compte le fait que le Département cantonal avait prévu que l'extraction, le comblement et la remise en état de la partie de la gravière proche de l'EMS s'effectueront à partir du début de la saison froide et que l'extraction se poursuivra à plus de 100 mètres de l'EMS dès le printemps de l'année suivante.
En considérant que les nuisances liées à l'exploitation de la gravière étaient tolérables pour les pensionnaires de l'EMS, y compris en ce qui concernait l'usage des espaces extérieurs compte tenu de l'éloignement de l'exploitation durant la période où ces espaces étaient principalement utilisés, les juges cantonaux n'ont pas violé les principes applicables en matière d'aménagement du territoire. Il ne faut en effet pas perdre de vue que les nuisances seront limitées dans le temps, puisque la durée d'exploitation de l'aire A est d'environ 1 à 2 ans (y compris la remise en état de site), cette durée étant comparable à celle des chantiers qu'a connu et connaîtra le voisinage de la gravière.
4.3 Le Tribunal cantonal n'était pas lié par la réponse donnée par le Conseil d'Etat à l'interpellation Martinet, selon laquelle la distance à respecter entre le plan d'extraction et les zones d'habitation devrait être au minimum de 100 mètres, ni par la résolution votée par le Grand Conseil le 15 décembre 2009 demandant au Conseil d'Etat de renoncer par tous les moyens de droit à l'ouverture de la gravière des Bruyères. Les recourants ne peuvent dès lors en tirer aucun argument.
C'est également en vain que les recourants allèguent que le gisement de Buchillon n'est pas la seule ressource en gravier de la région et que la taille du projet ne permettrait pas une exploitation rationnelle, ceci n'étant pas déterminant pour juger de la conformité du projet aux principes de la LAT. On peut néanmoins rappeler à ce propos que le site de Buchillon est recensé comme gisement de matériaux à exploiter en première priorité d'après le PDCar. Ces questions ont donc été examinées en son temps par les autorités compétentes.
Enfin, les recourants font valoir que le Service cantonal du développement territorial n'a pas été consulté lors de l'élaboration du projet modifié en 2009, ce qui constituerait une lacune grave, compte tenu de la sensibilité de ce secteur. Il apparaît toutefois que ce service a été convoqué à l'audience d'instruction organisée par le Tribunal cantonal mais qu'il a expressément renoncé à y participer, par courrier du 18 février 2010, précisant qu'il n'avait pas de remarque à ajouter à celles formulées lors du précédent recours. L'argument des recourants tombe dès lors à faux.
Il résulte de ce qui précède que le grief doit être rejeté.
5. Les recourants soulèvent des critiques en relation avec la protection contre le bruit. Ils estiment que les modalités d'exploitation ajoutées par le Tribunal cantonal dans l'arrêt attaqué, selon lesquelles le comblement et la remise en état de la partie de la gravière proche de l'EMS devront s'effectuer à partir du début de la saison froide et l'extraction se poursuivre à plus de 100 m de l'EMS dès le printemps de l'année suivante, seraient incompréhensibles. De même, ils remettent en question l'efficacité de la butte de protection contre le bruit.
5.1 Il ressort de l'étude d'impact du 25 juillet 2005 qu'avec la butte antibruit de 2.5 m de hauteur, les valeurs de planification sont nettement respectées pour le bâtiment le plus proche de l'aire A, à savoir le bâtiment administratif prévu sur la parcelle 1226 d'Etoy, et le seront également pour le bâtiment abritant l'EMS. Ce résultat est obtenu grâce à l'effet obstacle de la digue antibruit, qui contribue ainsi à protéger efficacement l'EMS. Contrairement à ce qu'affirment les recourants, les calculs ont été effectués avec une butte de 2.5 m (niveau du sol actuel + 2.5 m) et un rehaussement de celle-ci ne serait pas proportionnel, puisqu'elle nécessiterait des manoeuvres supplémentaires, et donc des émissions d'air et de bruit additionnels, et que les sources de bruit disparaîtront dans le sol avec l'avancement des excavations (cf. déterminations de l'Office fédéral de l'environnement du 11 novembre 2010). Au surplus, les recourants n'indiquent pas en quoi les calculs effectués dans le rapport d'impact seraient erronés, si bien qu'il n'y a pas lieu de remettre en cause l'effet escompté de la butte incriminée.
5.2 Quant aux conditions d'exploitation intégrées dans l'arrêt attaqué, elles n'apparaissent pas indispensables au respect des prescriptions applicables en matière de bruit et vont dans le sens des souhaits des recourants, ainsi que l'a justement relevé l'intimée dans sa réponse du 24 août 2010. Dans la mesure où ces modalités émanent du SESA, il lui appartiendra d'en préciser le contenu et d'en vérifier la bonne exécution au cas où elles susciteraient des difficultés. Dans ses déterminations du 13 janvier 2010 à l'attention du Tribunal cantonal, le SESA a précisé que ces injonctions visaient à éloigner l'exploitation de la gravière des abords de l'EMS pour les périodes propices aux promenades. Les termes "saison froide" et "printemps" doivent dès lors être interprétés dans ce contexte, sans qu'il n'y ait lieu d'arrêter ici de dates fixes, étant rappelé que l'exploitation de la gravière se déroulera sur une période de deux ans au maximum et qu'elle respecte de toute façon les valeurs de planification, même à 75 m des façades de l'EMS (cf. consid. 5.1 ci-dessus).
6. S'agissant de l'augmentation du trafic sur les voies d'accès à la gravière, les recourants allèguent qu'il faut compter sur un doublement au moins du nombre de camions occupés à amener des matériaux de comblement par rapport aux chiffres "idéalistes" mentionnés dans le rapport d'impact. Selon les recourants, le phénomène du foisonnement des terres n'aurait en effet pas été pris en compte et ce ne seraient pas les camions de 12 m3, utilisés pour transporter le gravier, qui ramèneraient des matériaux de comblement à la gravière.
En vertu de l'<ref-law>, l'exploitation d'installations fixes nouvelles ne doit pas entraîner un dépassement des valeurs limites d'immission consécutif à l'utilisation accrue d'une voie de communication.
Le rapport d'impact prend en compte 91 mouvements quotidiens avec des camions de 12 m3. Le Service cantonal de l'environnement et de l'énergie a indiqué, dans ses déterminations complémentaires du 15 février 2010, qu'il n'y avait pas de raison de mettre en cause les 91 mouvements pris en considération par les auteurs du rapport d'impact. L'Office fédéral de l'environnement considère également ce chiffre comme plausible. D'après le rapport d'impact, le niveau acoustique d'évaluation au bruit lié au trafic généré par la gravière sera de 55.6 dB(A), déterminé à l'endroit le plus exposé au bruit. Or, les valeurs limites d'immission diurnes sont fixées à 65 dB(A) pour le degré de sensibilité III attribué à ce secteur. Selon l'Office fédéral de l'environnement, pour que la valeur limite de 65 dB(A) soit dépassée, le trafic devrait être multiplié par dix. Ainsi, même si le nombre de mouvements quotidiens devrait être doublé, comme le soutiennent les recourants, l'exploitation de la gravière litigieuse serait encore conforme aux exigences de l'<ref-law>.
7. Les recourants considèrent que la législation fédérale sur la protection des eaux n'est pas respectée, en particulier l'art. 29 al. 1 let. a de l'ordonnance du 28 octobre 1998 sur la protection des eaux (RS 814.201; OEaux), et qu'en refusant de mettre en oeuvre une expertise, les juges cantonaux auraient violé leur droit d'être entendus.
7.1 Selon l'art. 44 al. 1 de la loi fédérale du 24 janvier 1991 sur la protection des eaux (LEaux; RS 814.20), quiconque entend exploiter du gravier, du sable ou d'autres matériaux ou entreprendre des fouilles préliminaires à cette fin doit obtenir une autorisation. Conformément à l'art. 44 al. 2 al. a LEaux, ces exploitations ne sont pas autorisées dans les zones de protection des eaux souterraines. L'exploitation de matériaux peut toutefois être autorisée au-dessus de nappes souterraines exploitables à condition qu'une couche protectrice de matériau soit maintenue au-dessus du niveau le plus élevé que la nappe peut atteindre (<ref-law>). L'épaisseur de cette couche sera fixée en fonction des conditions locales.
L'<ref-law> prévoit que, lorsqu'ils subdivisent leur territoire en secteurs de protection des eaux, les cantons délimitent les secteurs particulièrement menacés et les autres secteurs; les secteurs particulièrement menacés comprennent notamment le secteur Au de protection des eaux, destiné à protéger les eaux souterraines exploitables (let. a). D'après l'annexe 4 à l'OEaux, chiffre 211 al. 3 let. a, en cas d'extraction de gravier, de sable et d'autres matériaux dans le secteur Au de protection des eaux, il y a lieu de laisser une couche de matériau de protection d'au moins 2 m au-dessus du niveau naturel maximal décennal de la nappe. Ce niveau correspond soit au niveau piézométrique maximal enregistré durant une période de mesures régulières couvrant au moins 10 ans, soit d'une valeur calculée de manière statistique si la période de mesures est inférieure à 10 ans, pour autant que la base de données hydrogéologiques soit suffisante (Instructions pratiques pour la protection des eaux souterraines, publiées par l'Office fédéral de l'environnement, des forêts et du paysage OFEFP, Berne, 2004, note 59).
7.2 Le projet de la gravière litigieuse se situe en secteur Au de protection des eaux. Trois piézomètres (numérotés F1, F2 et F3) ont été implantés aux alentours du projet, deux aux limites sud et nord de la gravière et l'un plus à l'est.
Comme devant le Tribunal cantonal, les recourants soutiennent qu'il n'est pas admissible que le niveau de la nappe phréatique soit déterminé en l'absence de toute mesure piézométrique à l'intérieur du périmètre d'extraction. Dans ses déterminations du 24 août 2010, le SESA explique que le piézomètre F2, bien qu'en limite du périmètre d'extraction, se situe, au plan hydrogéologique, au coeur de la structure qui sera exploitée. Ce piézomètre est bien représentatif du comportement de la nappe pour l'ensemble du secteur exploité. De surcroît, sa position en limite extérieure du périmètre d'extraction permettra d'effectuer des mesures durant toute la phase d'exploitation et après. A cela s'ajoute que les piézomètres sont distants de 150 à 250 m les uns des autres et qu'il s'agit d'un maillage serré, l'espacement de ces instruments dans les projets de gravière étant généralement plus grand. Le réseau est dès lors adapté à la taille du projet.
Les recourants s'étonnent des différences de niveau mesurées pour les piézomètres F2 et F3 pour la période prise en considération de juin 2003 à juillet 2007 (1.50 m et 1.88 m) et la période de juin 2003 à décembre 2007 (2.68 m et 1.93 m). Ceci démontrerait que la méthode statistique de Gumbel, appliquée en l'espèce, n'est pas fiable. D'autre part, les années 1999 et 2001, de forte pluviométrie, n'ont pas été prises en compte, ce qui fausserait les calculs pour établir le niveau de la nappe phréatique. Le SESA explique que pour les deux durées de mesures respectives de deux ans (juin 2003 à juillet 2005 [et non 2007 comme l'ont retenu les recourants]) et de quatre ans et demi (juin 2003 à décembre 2007), l'augmentation de plus d'un mètre des écarts relevés entre hautes et basses eaux était représentative du battement naturel d'une nappe phréatique, et que les données recueillies ne remettaient aucunement en cause la détermination statistique du niveau d'eaux décennal maximal selon la loi de Gumbel, reconnue du reste par l'Office fédéral de l'environnement. Par ailleurs, l'année 1999 ne pouvait être considérée comme exceptionnelle de par son effet sur la piézométrie et les niveaux piézométriques de 2001, certes exceptionnels, auraient difficilement pu être considérés comme représentatifs sur une base décennale puisque la période de retour de cette pluviométrie est de l'ordre du demi-siècle. Dans ses observations, l'Office fédéral de l'environnement relève pour sa part que les piézomètres ont fait l'objet de mesures mensuelles entre juin 2003 et décembre 2007 et que, selon le SESA, les mesures se sont poursuivies entre 2007 et 2010; la longueur de la période de mesures aux différents piézomètres, la fréquence et le nombre qui en résulte lui paraissent dès lors suffisants. La base de données ainsi constituée permet de déterminer le niveau décennal maximal sur la base d'un ajustement statistique et l'Office fédéral estime que le projet litigieux respecte les exigences posées en secteur Au de protection des eaux.
Dans ces conditions, les juges cantonaux pouvaient effectivement considérer qu'il n'y avait pas de raison de mettre en doute l'appréciation du service cantonal spécialisé, fondé sur l'avis de l'hydrogéomètre cantonal, selon lequel les données disponibles étaient suffisantes pour déterminer statistiquement le niveau maximal ou décennal. Le Tribunal cantonal a rappelé que, lorsqu'il s'agissait d'examiner des questions de nature technique, il s'imposait une certaine retenue, notamment à l'égard des préavis des services cantonaux spécialisés, assimilés dans une large mesure à des avis d'experts; il ne s'en écartait que pour des motifs convaincants, ce qui n'était pas le cas en l'espèce. Les recourants exposent en vain que, par le passé, le Tribunal cantonal avait contesté à pas moins de cinq reprises des résultats d'investigations menées pour l'exploitation de gravières ou de nappes phréatiques et établies par des bureaux spécialisés en la matière. En effet, comme l'a justement souligné la Cour cantonale, l'on ne saurait déroger systématiquement à la règle énoncée ci-dessus en mettant à chaque fois en oeuvre un expert pour contrôler l'appréciation du service cantonal spécialisé s'agissant de la conformité d'un projet de gravière à la législation sur la protection des eaux. Le fait que le rapport complémentaire d'impact du 10 septembre 2008 utilise le terme de "nappe locale", qui, selon un "homme de science" consulté par les recourants, ne serait pas utilisé en hydrogéologie, ne permet pas pour autant de remettre en cause les calculs effectués dans ce rapport et les résultats auxquels il aboutit. Par conséquent, en refusant de requérir l'avis neutre d'un expert indépendant, comme le demandaient les recourants, le Tribunal cantonal n'a pas violé leur droit d'être entendus.
8. Les considérants qui précèdent conduisent au rejet du recours. Les frais judiciaires sont mis à la charge des recourants qui succombent (art. 66 al. 1 et 5 LTF). En vertu de l'<ref-law>, ceux-ci verseront à l'intimée une indemnité à titre de dépens.

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, fixés à 6'000 fr., sont mis à la charge des recourants, solidairement entre eux.
3. Une indemnité de 3'000 fr. est allouée à l'intimée à titre de dépens, à la charge des recourants, solidairement entre eux.
4. Le présent arrêt est communiqué aux mandataires des parties, au Département de la sécurité et de l'environnement, Service des eaux, sols et assainissement (SESA), au Département de l'économie et au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour de droit administratif et public, à E._ et à l'Office fédéral de l'environnement, Division Droit.
Lausanne, le 29 juin 2011
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Juge présidant: La Greffière:
Aemisegger Mabillard